基于轮廓偏移的金属特型密封结构稳健性优化设计方法技术

一种基于轮廓偏移的金属特型密封结构稳健性优化设计方法，通过迭代优化轮廓特征参数，使得金属特型密封能够在不改变生产加工工艺和产品结构设计的前提下尽可能提高相关的性能指标，能够有效提高单个或多个金属特型密封的性能指标，并使性能指标具有较好的稳健性；具有成本低、简单有效的优点。简单有效的优点。简单有效的优点。

【技术实现步骤摘要】
基于轮廓偏移的金属特型密封结构稳健性优化设计方法


[0001]本专利技术涉及航空航天用金属特型密封
，具体涉及一种基于轮廓偏移的金属特型密封结构稳健性优化设计方法。

技术介绍

[0002]随着现代工业的发展，机器和机械设备的运行工况愈加极端，例如在高温、低温、高压、高速、强腐蚀、核辐射等条件下工作，这对密封产品提出了更高的要求，经过多年发展，金属密封环已成为解决苛刻密封问题的重要手段。目前金属密封环已经在航空航天、核工业、深海、化工、医疗等众多领域展开应用，尤其在航空航天领域应用最为广泛。例如在液体火箭发动机上，密封结构在整个任务周期内应始终保持零泄露、不失效的工作状态，一旦发生密封失效，轻则会使发动机性能下降，重则会导致发动机发生爆炸。金属特型密封因其自紧式密封特性以及良好的装配补偿性成为发动机密封中的首选。
[0003]金属密封环是由弹性金属作为密封环基体，同时在表面覆盖软金属镀层，表面的软金属受力易延伸，可以弥补密封环接触面之间的微小泄漏通道，提高密封效果。在生产制造的过程中，势必会由于人为操作、加工工艺以及环境变化等不确定因素造成金属密封环结构尺寸的不稳定变化，进而造成密封环性能与预期性能指标之间存在或大或小的偏差。并且由于性能指标对于结构尺寸变化的敏感程度不同，金属密封环实际性能指标难以进行预测。这不仅仅会导致金属密封环次品率升高，提高产品成本；而且在航空航天等重大领域，关键密封件的性能不稳定是极其危险和致命的，因此如何保证性能的稳定性成了一大难题。
[0004]修改产品设计、改进生产工艺等方法一定程度上能够解决此问题，但是这些方法周期长、成本高，实用性不强。而稳健性优化作为一种通过调整设计变量及控制其容差保证产品性能的一种方法，能够以较低的成本实现预期的性能目标，其对于金属特型密封性能指标的稳定优化不乏是一种有效的工程方法，目前还没有相应的文献公开。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术目的在于提供一种基于轮廓偏移的金属特型密封结构稳健性优化设计方法，通过迭代优化轮廓特征参数，能够有效提高单个或多个金属特型密封的性能指标，并使性能指标具有较好的稳健性，具有成本低、简单有效的优点。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种基于轮廓偏移的金属特型密封结构稳健性优化设计方法，包括如下步骤：
[0008]步骤1，确定优化目标y：优化目标y由n个性能指标E
m
无量纲化处理后加权得到，n≥1；对于金属特型密封结构，性能指标为卸载回弹金属特型密封高度E1、初始接触压强E2、工作时接触压强E3等等，无量纲化处理的计算公式如下：
[0009][0010]其中，为无量纲化处理后的性能指标；对应性能指标的初始值；加权计算公式如下：
[0011][0012]其中，ω
m
为加权系数；E
e
为极大型最终指标；δ
m
与σ
m
分别为调整系数，用于将极大型或极小型指标统一为极大型指标；
[0013]步骤2，确定设计参数x：设计参数x由设计变量V归一化后得到，设计变量V由各密封结构尺寸综合处理得到，能够准确表征密封结构轮廓线变化情况，因此设计参数即为轮廓特征参数；设计变量V按照以下方式进行归一化：
[0014][0015]其中，V
down
为设计变量下限，为设计变量下限初值，x
down
为设计参数下限；上限表示方法与下限类似；公式中正负号使用说明：上下两式在对设计参数进行初始化时分别取
“‑”“
+”；在反归一化时正负号的选取应始终保证V
down
与V
up
为正；
[0016]步骤3，设计参数初始化：将初始设计的结构名义值x0设为零点，设计参数上限初值取为1，设计参数下限初值取为
‑
1；
[0017]步骤4，提取仿真数据：依据设计参数初值进行有限元仿真，从结果中提取仿真数据E
m
，即性能指标，通过式(1)无量纲化和式(2)加权计算得到初始优化目标y0、并绘制初始拟合曲线P0(x)；
[0018]步骤5，判断初始拟合曲线是否存在拐点，令l＝0，记寻找拐点过程中的优化目标为寻找拐点过程中设计参数为寻找拐点过程中拟合曲线为P
l
(x)；若存在拐点，则执行步骤9；否则比较与的大小关系，若则执行步骤6；若则执行步骤7；若则执行步骤8；
[0019]步骤6，计算依据进行有限元仿真，提取仿真结果并通过式(1)无
量纲化和式(2)加权计算得到比较与的大小关系，若则计算l＝l+1，并重复步骤6；若则执行步骤9；
[0020]步骤7，计算依据进行有限元仿真，提取仿真结果并通过式(1)无量纲化和式(2)加权计算得到比较与的大小关系，若则计算l＝l+1，并重复步骤7；若则执行步骤9；
[0021]步骤8，计算和提取有限元仿真结果并通过式(1)无量纲化和式(2)加权计算得到与继而比较与的大小，若则计算l＝l+1，并执行步骤6；若继续比较与的大小，若则计算l＝l+1，并执行步骤7，否则执行步骤9；
[0022]步骤9，重新赋值上下限，对于设计参数上限及下限重新赋值公式如下：
[0023][0024]其中，与表示执行完步骤5至步骤8后的新的上下限值，记P
e
(x)表示执行完步骤5至步骤8后最终得到的拟合曲线，将该拟合曲线最大值点标记为其满足以下公式，求解该式即得具体数值；
[0025][0026]其中，P
’
e
(x)表示对P
e
(x)进行一阶求导；
[0027]至此，得到了新一代初值：对应的优化目标也表示为P
e
(x)在计算完公式(5)后同样进行重新标记，即
[0028]步骤10，令i＝0，记迭代过程中下限优化目标、上限优化目标、拟合曲线最大值分别为迭代过程中设计参数下限、设计参数上限、拟合曲线最大值点分别为迭代过程中拟合函数为
[0029]步骤11，记为下限优化目标与最大值的偏差绝对值；为上限优化目标与最大值的偏差绝对值，两者的计算公式为：
[0030][0031]记为设计参数下限与最大值点的偏差绝对值；为设计参数上限与最大值点的偏差绝对值，两者的计算公式为：
[0032][0033]步骤12，对于设计参数下限，迭代过程中计算公式如下：
[0034][0035]其中，ξ
i
为：
[0036][0037]对于设计参数上限，迭代过程中计算公式如下：
[0038][0039]其中，η
i
为：
[0040][0041]其中，公式(8)与公式(10)中的与分别表示准下限与准上限，其用于表示未最终确定的临时迭代值；
[0042]步骤13，停止条件1和停止条件2判定：<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于轮廓偏移的金属特型密封结构稳健性优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，确定优化目标y：优化目标y由n个性能指标E
m
无量纲化处理后加权得到，n≥1；对于金属特型密封结构，性能指标为卸载回弹金属特型密封高度E1、初始接触压强E2、工作时接触压强E3等等，无量纲化处理的计算公式如下：其中，为无量纲化处理后的性能指标；对应性能指标的初始值；加权计算公式如下：其中，ω
m
为加权系数；E
e
为极大型最终指标；δ
m
与σ
m
分别为调整系数，用于将极大型或极小型指标统一为极大型指标；步骤2，确定设计参数x：设计参数x由设计变量V归一化后得到，设计变量V由各密封结构尺寸综合处理得到，能够准确表征密封结构轮廓线变化情况，因此设计参数即为轮廓特征参数；设计变量V按照以下方式进行归一化：其中，V
down
为设计变量下限，为设计变量下限初值，x
down
为设计参数下限；上限表示方法与下限类似；公式中正负号使用说明：上下两式在对设计参数进行初始化时分别取
“‑”“
+”；在反归一化时正负号的选取应始终保证V
down
与V
up
为正；步骤3，设计参数初始化：将初始设计的结构名义值x0设为零点，设计参数上限初值取为1，设计参数下限初值取为
‑
1；步骤4，提取仿真数据：依据设计参数初值进行有限元仿真，从结果中提取仿真数据E
m
，即性能指标，通过式(1)无量纲化和式(2)加权计算得到初始优化目标0y、并绘制初始拟合曲线P0(x)；步骤5，判断初始拟合曲线是否存在拐点，令l＝0，记寻找拐点过程中的优化目标为
寻找拐点过程中设计参数为寻找拐点过程中拟合曲线为P
l
(x)；若存在拐点，则执行步骤9；否则比较与的大小关系，若则执行步骤6；若则执行步骤7；若则执行步骤8；步骤6，计算依据进行有限元仿真，提取仿真结果并通过式(1)无量纲化和式(2)加权计算得到比较与的大小关系，若则计算l＝l+1，并重复步骤6；若则执行步骤9；步骤7，计算依据进行有限元仿真，提取仿真结果并通过式(1)无量纲化和式(2)加权计算得到比较与的大小关系，若则计算l＝l+1，并重复步骤7；若则执行步骤9；步骤8，计算和提取有限元仿真结果并通过式(1)无量纲化和式(2)加权计算得到与继而比较与的大小，若则计算l＝l+1，并执行步骤6；若继续比较与的大小，若则计算l＝l+1，并执行步骤7，否则执行步骤9；步骤9，重新赋值上下限，对于设计参数上限及下限重新赋值公式如下：其中，与表示执行完步骤5至步骤8后的新的上下限值；记P
e
(x)表示执行完步骤5至步骤8后最终得到的拟合曲线，将该拟合曲线最大值点标记为其满足以下公式，求解该式即得具体数值；其中，P
’
e
(x)表示对P
e
(x)进行一阶求导；至此，得到了新一代初值：对应的优化目标也表示为P
e
(x)在计算完公式(5)后同样进行重新标记，即步骤10，令i＝0，记迭代过程中下限优化目标、上限优化目标、拟合曲线最大值分别为迭代过程中设计参数下限、设计参数上限、拟合曲线最大值点分别为...

【专利技术属性】
技术研发人员：张大伟，刘秋彤，张琳铭，杨光灿，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：